《铝及铝合金产品残余应力评价方法》

YS/TXXXX-XXXX铝及铝合金产品残余应力评价方法本文件描述了铝及铝合金产品残余应力评价的方法。本文件适用于采用X射线衍射法、层削法对6.00mm～200.00mm厚度铝合金板材（以下简称“板材”）进行残余应力测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3880.3一般工业用铝及铝合金板、带材第3部分：尺寸偏差GB/T7704无损检测X射线应力测定方法GB/T8005.1铝及铝合金术语第1部分：产品及加工处理工艺GB/T8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/TXXXX航空用铝合金板材通用技术规范JJF0011有色金属材料用多维探测器X射线衍射仪校准规范T/CNIAXXXX铝及铝合金产品残余应力测试方法层削法3术语和定义GB/T8005.1界定的术语和定义适用于本文件。4X射线衍射法4.1方法概述铝合金板材宏观残余应力所对应的应变可以通过相应区域里晶格应变进行统计获得，依据X射线衍射原理测定晶格应变可以计算残余应力，选择sin2ψ法和cosα法对板材表面残余应力进行矩阵式测试并进行数据插值，可获得板材全表面残余应力。该方法用于非包铝板材残余应力测试。4.2仪器设备残余应力测试仪，应按JJF0011的规定检定，满足如下要求的两种仪器均可使用：——cosα法残余应力测试仪：配备Cr靶射线源和二维探测器。——sin2ψ法残余应力测试仪：符合GB/T7704规定。4.3样品4.3.1样品表面不准许有裂纹、起皮、非金属压入物、腐蚀、腐蚀斑点、滑移线及处理不掉的油痕。4.3.2样品表面不准许机加工。4.4试验步骤警示——X射线衍射仪对测试人员有X射线辐照风险，测试人员应具备X射线衍射法基础知识，测试时应使用隔离罩或保持安全距离。24.4.1样品不平度测量将样品放置在安全且便于测试的区域，宜放置在平台上，放置在平台上的样品不平度应符合GB/TXXXX的规定，当样品不在平台上检测时，其纵向不平度按GB/T3880.3的方法测试，测试结果应符合表2的规表2纵向不平度纵向不平度d/L%>20.00～40.00>40.00～60.00>60.00～90.00>90.00～140.00>140.00～200.004.4.2确定测试区域确定测试区域，如图1所示，标注测试区域边界线及坐标轴方向。）；d——测试区域边界与样品边部的间距；d≥2t。图1测试区域示意图4.4.3测点确定4.4.3.1按图2标记测试点，沿L方向按表3规定绘制T向分布线，沿T方向按表4规定绘制L向分布线，对样品纵向和横向画线，纵线或横线应能均分纵向表面或横向表面，纵线和横线的交点即为测点。3YS/TXXXX-XXXX图2测点分布示意图表3确定T向分布线>500～2000>2000～4000>4000～6000>6000～8000>8000表4确定L向分布线>500～1000>1000～1500>1500～2000>2000～2500>25004.4.3.2测点半径20mm范围内不宜有划痕，若有划痕时，在距划痕20mm处且距测点最近位置重新选择测点。4.4.4测试4.4.4.1测试前cosα法残余应力测试仪按附录A的规定进行无应力标定，sin2ψ法残余应力测试仪按GB/T7704的规定进行无应力标定。4.4.4.2标定后由仪器按照选定的测量条件和参数对所有测点自动完成测量：——采用cosα法时，推荐选择Crkα射线源，衍射晶面{311}，倾转角30°,入射距离40mm。X射线光斑中心对准测试点中心，样品待测应力方向平行于仪器的应力方向平面。——采用sin2ψ法时条件和参数应符合GB/T7704的规定，推荐选择Crkα射线源，衍射晶面{311}。4.4.4.3测试过程中样品应保持静止，保证X射线管电压和电流的稳定性，并保证X射线光路畅通。4.5试验数据处理4.5.1将各测点测试结果形成矩阵数据，并进行插值获得全表面残余应力分布结果，插值函数宜选择双线性插值（计算方法见附录B），插值节点数宜为原始测试数据点数10倍以上。4.5.2取全表面残余应力分布结果的最大值作为样品的残余应力最大值σmax。4.5.3按公式（1）计算样品的残余应力平均值σave，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按GB/T8170的规定进行。σave=…………（1）式中：i——第i个测点的残余应力测试值，单位为兆帕（MPa）；p——测点总数。4.5.4按公式（2）计算样品的残余应力标准差σstd，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按GB/T8170的规定进td=σ=1σi−σave2…………（2）p4.5.5采用绘图软件将插值结果进行处理，输入产品标准或订货单（或合同）中残余应力控制指标要求，绘制残余应力分布云图。44.6结果表示试验结果以残余应力分布云图表示，云图上应注明超标区域、达标区域、残余应力最大值σmax、残余应力平均值σave和标准差σstd。附录C给出了7050T7451板材全表面残余应力测试示例。4.7试验报告试验报告应包括以下内容：a)样品名称；b)牌号、状态；c)尺寸规格；d)批次；e)测点分布；f)试验环境温度；g)试验仪器信息；h)残余应力数据统计结果；i)残余应力云图；j)试验中观察到的异常现象；k)本文件编号；l)试验人员；m)试验日期。5层削法5.1方法概述沿厚度方向等间距逐层铣削加工试样，测试每次铣削后剩余材料的挠度，根据材料的弹性模量、泊松比、挠度、支撑距离、厚度等建立的公式，计算出试样及板材不同厚度下的残余应力，给出试样不同加工厚度对应的变形挠度曲线以及试样和板材内部不同厚度下的应力分布曲线。根据残余应力是否沿厚度方向对称分布采用不同的层削厚度：——当假定残余应力沿厚度方向对称分布时，铣削至一半厚度结束；——当假定残余应力沿厚度方向不对称分布时，铣削至一半厚度后继续进行层削，直至试样无法加工。5.2仪器设备5.2.1层削法残余应力测试装置由底座、挠度测试千分表、支撑柱、侧边限位块构成，见图3。仪器应满足下列条件：——测量精度：千分表精度为±0.001mm；——刚度：仪器材料弹性模量应不小于200GPa，宜选择不锈钢或模具钢；——支撑距离：当产品标准或订货单（或合同）有规定时，支撑距离应符合产品标准或订货单（或合同）的规定，无规定时支撑距离为360mm。5YS/TXXXX-XXXX图3层削法残余应力测试装置示例5.2.2游标卡尺：分辨力不低于0.02mm。5.2.3铣床：加工精度不低于0.02mm，盘铣刀直径宜为φ100mm。5.3样品与试样5.3.1样品厚度宜不小于20mm。5.3.2当产品标准或订货单（或合同）有规定时，样坯取样位置、尺寸、取向及数量应符合产品标准或订货单（或合同）的规定。产品标准或订货单（或合同）无规定时，应符合图4的规定，宜在样品端部T向中心线处取1组样坯（L向1个、T向1个），样坯的尺寸应符合表5的规定。图4样坯取样示意图表5样坯尺寸mmLTStt5.3.3当产品标准或订货单（或合同）有规定时，试样尺寸、沉头孔加工位置和尺寸应符合产品标准或订货单（或合同）的规定。无规定时，将样坯加工成尺寸为400mm×50mm×t0的试样，加工过程试样温度不应有较大波动。在试样表面沿S向加工沉头孔，沉头孔加工位置见图5，加工尺寸应符合表6的规定，L向和T向试样的沉头孔加工表面为样品同一表面。5.3.4试样宜保留样品的原始上下表面，侧面进行铣削加工。6图5试样尺寸示意图表6沉头孔尺寸试样厚度t沉头孔上端直径D沉头孔下端直径D沉头孔下端深度H9>50～2005.4试验步骤警示——试验过程中有试样放置不稳造成手部和脚部砸伤风险。测试人员在操作过程中应注意防范机械损伤。5.4.1确定试样厚度检测线并标记，宜在试样长向中间位置处（见图6）标记检测线。在检测线处测试试样原始厚度t0。图6试样厚度测量位置示意图5.4.2将试样放置在层削法残余应力测试装置上，层削加工面朝上，标记厚度检测线的面朝向测试人员，试样基准面中心点（即挠度测点）接触千分表指针，读取千分表示数。5.4.3按5.4.2重新放置试样并重复测试，直至3次读数偏差在±0.001mm内清零千分表。7YS/TXXXX-XXXX5.4.4将试样放置在铣床加工台上，层削加工面朝上，用内六角螺栓和T型螺母固定装紧（或按T/CNIAXXXX《铝及铝合金产品残余应力测试方法层削法》规定的方法固定试样），层削加工面应无明显翘曲。5.4.5铣刀转速宜为3000rpm、进给速度宜为500mm/min。按照先粗加工后精加工的顺序对试样进行铣削，根据每层铣削厚度，分配适宜的粗加工进刀量和精加工余量，粗加工单次进刀量不超过2mm，精加工余量不小于0.25mm。L向和T向试样的加工参数和进刀量分配相同，试样铣削层数和每层铣削厚度符合以下要求：——当假定试样残余应力沿厚度方向对称分布时，铣削至t0/2，铣削层数为10层[当订货单(或合同)对铣削层数有规定时按订货单(或合同)的规定执行]，每次铣削层厚度为t0/20；——当假定试样残余应力沿厚度方向不对称分布时，铣削至t0/2后可继续以每次t0/20厚度层削，直至试样无法加工。5.4.6加工第一层后将试样从铣床加工台上拆卸下来，在图7中厚度检测线处测试试样厚度t1。图7试样铣削后厚度测量位置示意图5.4.7按5.4.2重复测试3次，直至3次读数偏差在±0.001mm内读取千分表的示数，记为累积挠度Ω1，以及试样第1次铣削加工后的挠度幼1。挠度测点位移向下，该层挠度为正值；挠度测点位移向上，该层挠度为负值。5.4.8按5.4.4～5.4.6对试样依次进行装夹、铣削、拆卸和厚度测试；按5.4.2重复测试3次，直至3次读数偏差在±0.001mm内读取千分表的示数，记为累积挠度Ω2，计算Ω2与Ω1的差值，记为第2次铣削加工后的挠度幼2，依次类推，第n次铣削加工后的单层挠度记为幼n，累积挠度记为Ωn。5.4.9按5.4.8重复试验至规定层数并记录。5.4.10T/CNIAXXXX《铝及铝合金产品残余应力测试方法层削法》给出了部分铝合金产品残余应力测试试验步骤的典型示例。5.5结果计算与结果表示5.5.1挠度结果表示试验结果以每次铣削加工后的试样厚度、累积挠度、单层挠度表示，见表7。T/CNIAXXXX《铝及铝合金产品残余应力测试方法层削法》给出了铝及铝合金产品铣削加工试验的挠度测试结果示例。表7铣削加工试验的挠度测试结果0t0001t1Ω1幼12t2Ω2幼283t3Ω3幼34t4Ω4幼45t5Ω5幼56t6Ω6幼67t7Ω7幼78t8Ω8幼89t9Ω9幼9t10Ω10幼105.5.2残余应力结果计算与结果表示5.5.2.1按公式（3）计算L向试样的残余应力分布s，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170的规定进行。Lsn=3ls2tn−tn∙tn−1Ωn−1tn………式中：E——弹性模量，单位为兆帕（MPa常用铝合金的典型弹性模量见表8或由供需双方商定ls——支撑距离，单位为毫米（mm）；tn——第n次层削后试样厚度，单位为毫米（mm）；Ωn——第n次层削后试样累积挠度，单位为毫米（mm）；n——层削的次数，单位为次；m——求和公式取数起和止的范围，下界为1，上界为n-1。5.5.2.2按公式（4）计算T向试样的残余应力分布s，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170的规定进行。Tsn=表8弹性模量………5.5.2.3按公式（5）计算样品的L向分应力分布σ，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170的规定进行。Lσn=式中：v——泊松比（v=0.33或供需双方商定）。s…………5.5.2.4按公式（6）计算样品的T向分应力分布σ，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170的规定。Tσn=s…………YS/TXXXX-XXXX5.5.2.5取L向分应力分布σ结果的最大值作为样品L向分应力的最大残余拉应力σmax；取L向分应力分布σ结果的最小值作为样品L向分应力的最大残余压应力σmax；按公式（7）计算样品L向分应力的最大残余应力范围σmax，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170σmax=σmax−σmax……（7）式中：σmax——样品L向分应力的最大残余拉应力，单位为兆帕（MPa）；σmax——样品L向分应力的最大残余压应力，单位为兆帕（MPa）。5.5.2.6取T向分应力分布σ结果的最大值作为样品T向分应力的最大残余拉应力σmax；取T向分应力分布σ结果的最小值作为样品T向分应力的最大残余压应力σmax；按公式（8）计算样品T向分应力的最大残余应力范围σmax，数值以兆帕（MPa）表示，计算结果表示到小数点后一位，数值修约按照GB/T8170σmax=σmax−σmax……（8）式中：σmax——样品T向分应力的最大残余拉应力，单位为兆帕（MPa）；σmax——样品T向分应力的最大残余压应力，单位为兆帕（MPa）。5.5.2.7当假定试样残余应力沿厚度方向对称分布时，将10层残余应力值分别从试样厚度中心处对称得到另一半厚度的残余应力值，如图8所示。图8对称得到的残余应力值示意图5.5.2.8以基准面为零点，每层残余应力值位置以计算。5.5.2.9当假定试样残余应力沿厚度方向对称分布时，以每层残余应力值位置为x轴，残余应力值为y轴，将10层残余应力值和对称得到的残余应力值绘制厚度方向残余应力分布图；当假定试样残余应力沿厚度方向不对称分布时，以每层残余应力值位置为x轴，残余应力值为y轴，将所有层残余应力值直接绘制厚度方向残余应力分布图。T/CNIAXXX《铝及铝合金产品残余应力测试方法层削法》给出了部分铝合金产品残余应力分布图的典型示例。5.6试验报告试验报告应包括以下内容：a)样品名称；b)牌号、状态；c)尺寸规格；d)批次；e)试验环境温度；f)铣削加工设备与加工参数；g)试验仪器信息（包含支撑距离）；h)铣削加工试验数据记录，包括厚度、累积挠度、单层挠度；i)L向和T向残余分应力计算结果；j)厚度方向残余应力分布图；k)最大残余拉应力、最大残余压应力、最大残余应力范围及对应厚度位置；l)试验中观察到的异常现象；m)本文件编号；n)试验人员；o)试验日期。YS/TXXXX-XXXX附录A（规范性）cosα法残余应力测试的无应力标定A.1材料无应力铁粉：市售的无应力铁粉，或将铁粉按如下流程制备：a）采用真空退火炉在650℃退火约1h；b）将铁粉铺在试样支架上表面；c）在经过校准的残余应力仪上，测量其应力，应力值应不大于10MPa，并确定其值。建议选择多个实验室进行比对，并确定准确应力值；d）若应力值大于10MPa，应重新退火制样。A.2标定步骤A.2.1光源采用Cr靶，入射角调至35°。A.2.2将无应力铁粉置于试验台，测试距离调至51mm。采用Fe{211}晶面分析。A.2.3开启射线，收集德拜环，并计算应力值。A.3结果判定A.3.1如无应力铁粉的德拜环为正圆形且应力值在±10MPa以内，判定仪器满足试验要求。A.3.2若无应力铁粉的德拜环非正圆形或应力值超过±10MPa，需要重新调整设备，直至测试应力值在±10MPa以内。附录B（资料性）双线性插值计算步骤B.1双线性插值如图B.1所示，已知Q11、Q12、Q21、Q22四点坐标，求P点坐标。图B.1双线性插值示意图B.2求解R1和R2坐标先采用关于x的单线性插值按公式（B.1）、公式（B.2）分别计算R1和R2的坐标。先采用关于x的单线性插值按公式（B.1）、公式（B.2）分别计算R1和R2的坐标。B.3求解P坐标再使用关于y方向的单线按.,）y……………（B.3）YS/TXXXX-XXXX附录C（资料性）7050T7451板材全表面残余应力测试示例C.1样品放置对尺寸为16000mm（长）×2000mm（宽）×100mm（厚）的7050